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城市轨道交通 电能 质量仿真分析系统的谐波分析建模方法

阅读：108发布：2023-03-22

专利汇可以提供城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法，包含如下步骤：步骤1，构建城市轨道交通的供电系统仿真模块；步骤2，构建城市轨道交通列车运行状况仿真模块；步骤3，构建FFT谐波分析模块，用于对所述城市轨道交通列车运行状况仿真模块中的录波器模块接收到的波形信息中的谐波进行分析比较。本发明可以模拟城市轨道交通列车的三种工况(牵引、惰行、制动 )下的运行状态对电网的谐波影响，从而为获得更好的电源质量提供分析基础。，下面是城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤1，构建城市轨道交通的供电系统仿真模块，该供电系统仿真模块包括高压母线模块A和高压母线模块B，主变压器模块，所述主变压器模块包括两个110KV/35KV变压器模块，分别用于接收来自高压母线模块A和高压母线模块B的高压电，所述两个110KV/35KV变压器模块中的母线采用单母线分段的接线方式，所述主变压器模块将所述高压母线模块A和高压母线模块B的110KV三相交流电经过降压处理后变成35KV三相交流电送入牵引变电站模块，然后经过牵引变电站模块的降压、整流步骤，得到模拟驱动列车的直流电；
步骤2，构建城市轨道交通列车运行状况仿真模块，该仿真模块包括：直流电源模块，该直流电源模块即为供电模块中的牵引变电站模块，用于向列车运行状况仿真模块输送直流电；IGBT逆变器模块，用于模拟列车逆变器，所述IGBT逆变器模块分别连接至四个并联的感应电动机模块，所述感应电动机模块用于模拟向终端输出机械能；还包括录波器模块，该录波器模块用于接收IGBT逆变器模块的输出电压信息、感应电动机模块输出的电流信息、转速信息、电磁转矩信息；还包括矢量控制模块，所述矢量控制模块的一端与所述IGBT逆变器模块连接，通过向IGBT逆变器模块发送开、断控制脉冲，对列车的运行状态起到控制作用；
还包括逻辑控制模块，所述逻辑控制模块的一端与矢量控制模块连接，另一端连接至感应电动机模块的转速信息输出端；所述逻辑控制模块接收所述感应电动机模块输出的转速信息以获得列车速度的信息，通过获得的列车速度信息，确定所述IGBT逆变器模块的开关断脉冲的发送时间；其中，所述城市轨道交通列车运行状况仿真模块进行如下操作：从0s开始,通过矢量控制模块,将IGBT逆变器模块打开,控制牵引电机模块转速达到3500转/分钟,负载转矩为300牛*米；列车牵引到70公里/小时；所述录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；
当列车速度达到70公里/小时，通过矢量控制模块,将IGBT逆变器模块关闭,控制牵引电机模块转速下降到2500转/分钟，录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；
当牵引电机模块转速下降到2500转/分钟,即当列车速度达到50公里/小时，逻辑控制模块控制IGBT逆变器模块打开，负载转矩为-300牛*米，录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；
步骤3，构建FFT谐波分析模块，用于对所述录波器接收到的信息的波形的谐波进行分析比较。
2.根据权利要求1所述城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法，其特征在于，所述牵引变电站模块在整流时，采用24脉波整流系统进行整流。
3.根据权利要求2所述的城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法，其特征在于，所述FFT谐波分析模块，用于对谐波进行分析比较，从而得到列车在各个运行工况下由地铁供电系统向系统公共连接点处的谐波侵扰情况，包括：分析系统公共连接点处的谐波电流值以及谐波电压含有率；分析电压波形畸变率和电流波形畸变率；分析各次谐波对应的电压含有率和谐波电流值。

说明书全文

城市轨道交通电能 质量仿真分析系统的谐波分析建模方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种建模方法，尤其是涉及一种城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法。

背景技术

[0002] 随着经济发展和城市现代化进程的加快，世界各国都面临同样的问题，即城市人口迅猛增长、地域不断扩大，原有的城市地面交通无法满足市民日益增长的出行需求。城市轨道交通正是现代化城市中理想的、能满足市民出行需求的一种公共交通工具。城市轨道交通供电系统是为轨道交通运营提供动力能源的一个系统，在众多的城市电网用户中是一个重要的用户。它从城市电网接受电源，通过变配电，将合适的电源提供给城市轨道交通各个子系统。随着城市轨道交通规模不断扩大，地铁作为城市电网的一级负荷，该系统中含有大量的非线性负荷，其投运给电网带来的影响更不容忽视，尤其是对系统公共连接点处产生的谐波影响，城市轨道交通接入对电网的谐波影响越来越引起关注。目前，国内外对城轨供电系统电能质量的研究主要集中在直流电源整流系统所产生的影响，城市轨道交通在运行过程中应分为牵引、惰行、制动三个过程，但是从列车实际投运后，在牵引、惰行、制动三种具体工况下对网侧谐波的分析和研究却很少，这对地铁系统谐波的精准化治理带来了不便。

[0003] 本发明在城市轨道交通电能质量仿真分析系统中主要提出不同运行阶段城市轨道交通对电网的谐波影响建模方法。

发明内容

[0004] 针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法，其特征在于包含如下步骤：

[0005] 步骤1，构建城市轨道交通的供电系统仿真模块，该供电系统仿真模块包括高压母线模块A和高压母线模块B，主变压器模块，所述主变压器模块包括两个110KV/35KV变压器模块，分别用于接收来自高压母线模块A和高压母线模块B的高压电，所述两个110KV/35KV变压器模块中的母线采用单母线分段的接线方式，所述主变压器模块将所述高压母线模块A和高压母线模块B的110KV三相交流电经过降压处理后变成35KV三相交流电送入牵引变电站模块，然后经过牵引变电站模块的降压、整流步骤，得到模拟驱动列车的直流电；

[0006] 步骤2，构建城市轨道交通列车运行状况仿真模块，该仿真模块包括：直流电源模块，该直流电源模块即为供电模块中的牵引变电站模块，用于向列车运行状况仿真模块输送直流电；IGBT逆变器模块，用于模拟列车逆变器，所述IGBT逆变器模块分别连接至四个并联的感应电动机模块，所述感应电动机模块用于模拟向终端输出机械能；还包括录波器模块，该录波器模块用于接收IGBT逆变器模块的输出电压信息、感应电动机模块输出的电流信息、转速信息、电磁转矩信息；还包括矢量控制模块，所述矢量控制模块的一端与所述IGBT逆变器模块连接，通过向IGBT逆变器模块发送开、断控制脉冲，对列车的运行状态起到控制作用；还包括逻辑控制模块，所述逻辑控制模块的一端与矢量控制模块连接，另一端连接至感应电动机模块的转速信息输出端；所述逻辑控制模块接收所述感应电动机模块输出的转速信息以获得列车速度的信息，通过获得的列车速度信息，确定所述IGBT逆变器模块的开关断脉冲的发送时间；

[0007] 步骤3，构建FFT谐波分析模块，用于对所述录波器接收到的信息的波形的谐波进行分析比较。

[0008] 进一步的，所述牵引变电站模块在整流时，采用24脉波整流系统进行整流。

[0009] 进一步的，在步骤2中，所述城市轨道交通列车运行状况仿真模块进行如下操作：从0s开始,通过矢量控制模块,将IGBT逆变器模块打开,控制牵引电机模块转速达到3500转/分钟,负载转矩为300牛*米；列车牵引到70公里/小时；所述录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；

[0010] 当列车速度达到70公里/小时，通过矢量控制模块,将IGBT逆变器模块关闭,控制牵引电机模块转速下降到2500转/分钟，录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；

[0011] 当牵引电机模块转速下降到2500转/分钟,即当列车速度达到50公里/小时，逻辑控制模块控制IGBT逆变器模块打开，负载转矩为-300牛*米，录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息。

[0012] 进一步的，所述FFT谐波分析模块，用于对谐波进行分析比较，从而得到列车在各个运行工况下由地铁供电系统向系统公共连接点处的谐波侵扰情况，包括：分析系统公共连接点处的谐波电流值以及谐波电压含有率；分析电压波形畸变率和电流波形畸变率；分析各次谐波对应的电压含有率和谐波电流值。

[0013] 本发明专利可以对城市轨道交通电能质量进行仿真分析，从而对电流的调整获得直观的分析。附图说明

[0014] 图1是本发明的城轨供电系统模块仿真图；

[0015] 图2是本发明的城轨列车三种运行状况进行仿真的模块图；

[0016] 图3是本发明的城轨列车接入城轨供电系统后对三种工况下的运行状态进行跟踪后的仿真结果示意图。

具体实施方式

[0017] 本发明的城市轨道交通电能质量仿真分析系统的谐波分析建模方法包括对城轨供电系统的供电模型进行建模以及对列车的运行状况进行建模以及对测试结果进行建模。

[0018] 图1是城轨供电系统的供电系统仿真模块，包括高压母线模块A和高压母线模块B，主变压器模块，主变压器模块包括两个110KV/35KV变压器模块，分别用于接收来自高压母线模块A和高压母线模块B的高压电源。主变压器模块采用从不同高压母线模块引入供电线路的双回路供电的方式，两个110KV/35KV变压器模块中的母线则采用单母线分段的接线方式，这样提高了供电的可靠性。主变压器模块将城轨供电系统的供电模块的110KV三相交流电经过降压处理后变成35KV三相交流电送入牵引变电站模块，然后经过牵引变电站模块的降压、整流等步骤，得到能够驱动列车的直流电。

[0019] 在整流时，采用了24脉波整流系统，即一个周期内输出的脉波数为24，其目的是减小直流电压的纹波系数并降低低次谐波的出现，从而有效降低了谐波源对城市电网的影响。

[0020] 在列车运营的过程中，共分为牵引、惰行和制动三种运行工况。牵引时，列车通过位于车顶的受电弓将来自架空线路的且合乎城市轨道牵引电压的直流电压输送给牵引逆变器，从而得到用于驱动交流电机的三相交流电。列车内部的四个异步电动机则通过并联运行，将来自逆变部分的交流电转化成供机车运行的机械能，并通过位于编组列车的转向架为其四个轴提供转向力，进而带动整个列车组迅速地完成牵引过程。

[0021] 列车完成牵引后，通过开关控制关闭列车的牵引逆变器，列车进入惰行状态。由于逆变器关断，列车的电机未施加电源，没有能量的供给，故整个惰行过程没有功率的消耗，列车只凭惯性的作用继续前进。

[0022] 制动时，逆变器打开，电机转矩反向，进入发电机状态，将产生的三相交流电通过逆变器转变为直流电能。

[0023] 基于以上原理，图2构建了本发明地铁列车三种运行状况的仿真模块。

[0024] 该仿真模块包括直流电源模块，该直流电源模块即为仿真供电模块中的牵引变电站模块，其向列车仿真模块输送直流电，IGBT逆变器模块用于模拟列车逆变器，所述IGBT逆变器模块分别连接至四个并联的感应电动机模块，所述感应电动机模块用于模拟向终端输出机械能。还包括录波器模块，该录波器模块用于接收IGBT逆变器模块的输出电压信息、感应电动机模块输出的电流信息、转速信息、电磁转矩信息。

[0025] 还包括矢量控制模块，感应电机模块作为列车驱动力的源头，且电机本质上为非线性、多变量、强耦合、参数时变、大干扰的复杂对象，通过矢量控制模块能够较好地实现电机的有效控制。该矢量控制模块的输出端一端与IGBT逆变器模块连接，一端与逻辑控制模块连接。矢量控制模块通过向IGBT逆变器模块发送开、断控制脉冲，对列车的运行状态起到控制作用。逻辑控制系统的一端与IGBT逆变器模块连接另一端连接至感应电动机模块的转速信息输出端。该转速信息输出端同时还连接到录波器模块。

[0026] 逻辑控制模块接收所述感应电动机模块输出的转速信息以获得列车速度的信息，通过获得的列车速度信息，决定逆变器模块的开关断脉冲的发送时间，具体步骤如下：

[0027] 第一阶段为牵引过程,从0s开始,通过矢量控制模块,将IGBT逆变器模块打开,控制牵引电机转速达到3500转/分钟,负载转矩为300牛*米；列车牵引到70公里/小时；此时录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；

[0028] 第二阶段为惰行过程，当列车速度达到70公里/小时，通过矢量控制模块,将IGBT逆变器模块关闭,控制牵引电机模块转速下降到2500转/分钟。此时录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；

[0029] 第三阶段为制动过程，当牵引电机模块转速下降到2500转/分钟,即当列车速度达到50公里/小时，逻辑控制模块控制IGBT逆变器模块打开，负载转矩为-300牛*米。此时录波器模块记录IGBT逆变器模块的电压信号、感应电动机模块的电流信息、转速信号和电磁转矩信号的波形特性信息；

[0030] 这就完成了对列车在三种工况(牵引、惰行、制动)下的运行状态的跟踪，录波器记录的仿真结果如图3所示。

[0031] 从图3中电机转矩(electromagnetic torque Te)及转速(N)可以看出，随着时间(time)的前进，电机的启停一次先后经过了牵引过程、惰行过程以及制动过程。列车首先进入的是牵引工况，在异步电动机提供的牵引力的作用下，带动转子逐步升速直至最高转速，此时，列车也相应达到了行驶的最高时速，约60～80公里/小时；然后列车的牵引逆变器关闭，进入惰行工况，列车凭借惯性前行，只受到来自空气和地面的阻力的作用，速度逐渐下降，当转速下降到设定值的时候，重新开启列车的逆变器；最后，列车进入制动工况，此时电机作发电机运行，在制动过程中，速度急速降落，直到列车车速降为零。

[0032] 还包括FFT谐波分析模块，用于对谐波进行分析比较，可以得到列车在各个运行工况下由地铁供电系统向系统公共连接点处的谐波侵扰情况。

[0033] 包括分析系统公共连接点处的谐波电流值以及谐波电压含有率：可以发现系统公共连接点处的谐波电流值以及谐波电压含有率都是在第23次、第25次谐波处数值最大，在第47次、第49次谐波处数值较大，该结果与24脉波整流的方式相吻合，故可以得出在24脉波整流方式下，系统公共连接点处的特征次谐波值较大，而非特征次谐波处的谐波值较小的结论。

[0034] 分析电压波形畸变率和电流波形畸变率：从三种运行工况的角度分析，牵引工况下电压波形畸变率和电流波形畸变率相对较大，制动过程的对应值次之，惰行过程所产生谐波畸变率最小。

[0035] 分析各次谐波对应的电压含有率和谐波电流值：牵引工况下各次谐波对应的电压含有率和谐波电流值最大，制动过程的对应值次之，惰行过程数值最小。

[0036] 尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，在不背离本发明精神和实质下的各种修正、形变都是允许的，它们都落入本发明权利要求的保护范围之中。

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